露天煤礦運(yùn)輸安全預(yù)控體系研究
時(shí)間:2022-11-05 10:35:22
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摘要:為了預(yù)防和遏制露天煤礦車輛傷害事故,從公路運(yùn)輸3要素“道路、車輛、駕駛員”出發(fā),采用科技手段分階段、分步驟研究了“露天煤礦車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)”、“露天煤礦車輛超速管理系統(tǒng)”、“露天礦卡車疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)”、“露天煤礦卡車毫米波雷達(dá)自動剎車系統(tǒng)”、“多功能一體化管控系統(tǒng)”,建立了露天煤礦公路運(yùn)輸安全預(yù)警預(yù)控智能化體系,有針對性地采取預(yù)防措施,有效遏止了生產(chǎn)安全事故發(fā)生。
關(guān)鍵詞:露天煤礦;公路運(yùn)輸;安全;預(yù)控;預(yù)警
根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,公路運(yùn)輸導(dǎo)致的車輛傷害事故占露天煤礦各類事故的首位,而在露天煤礦公路輸事故中,由于卡車盲區(qū)造成的事故高達(dá)60%,由于小型車輛超速違章行駛占20%,由于駕駛員疲勞駕駛造成的事故占15%左右[1]。通過運(yùn)用交通流模型對黑岱溝露天煤礦公路運(yùn)輸事故進(jìn)行模擬分析,1215端幫路周圍區(qū)域理論預(yù)測年均事故率約為4.25~5次/a,計(jì)算預(yù)測交通事故死亡在0.935~1.22次/a。因此,研究露天煤礦公路運(yùn)輸預(yù)警預(yù)控技術(shù),開發(fā)先進(jìn)、實(shí)用的露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系,對實(shí)現(xiàn)卡車防碰撞、防疲勞、主動防追尾和自動剎車,減少行車事故。
1防撞預(yù)警系統(tǒng)
通過歷年來全國露天煤礦發(fā)生的傷亡事故原因分析發(fā)現(xiàn),因?yàn)殪o態(tài)盲區(qū)和動態(tài)盲區(qū),礦用卡車駕駛員根本不知道自身周圍存在其他車輛,成為造成事故的主要原因,尤其是大型礦用卡車碾壓小型生產(chǎn)指揮車輛的事故概率最高。怎么解決這些“不清楚”、“不知道”、“沒看見”,其實(shí)是解決一個(gè)實(shí)時(shí)獲知位置信息的問題[2]。因此如何讓駕駛員隨時(shí)掌握自身周圍車輛運(yùn)行的情況,有效避免事故的發(fā)生,位置信息獲取至關(guān)重要。黑岱溝露天煤礦構(gòu)建了大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng),將各種車輛的靜態(tài)盲區(qū)和動態(tài)盲區(qū)統(tǒng)一考慮,形成了一體化解決方案,用以消除駕駛員視線盲區(qū)。大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng)采用無線射頻技術(shù)RF(短距離無線通信)和GPS衛(wèi)星高度定位技術(shù),并輔以三維電子羅盤技術(shù)、LCD液晶顯示功能、語音報(bào)警和防撞預(yù)測算法,在主控模塊協(xié)調(diào)作用下,首先通過雙GPS模塊實(shí)時(shí)采集自身位置坐標(biāo)(由于得到的坐標(biāo)不夠精確,根據(jù)雙天線等間距設(shè)定,求出當(dāng)前系統(tǒng)誤差,進(jìn)行GPS自主修正,由高精度GPS定位技術(shù)給出車輛的精確坐標(biāo)),其次是通過雙RF射頻模塊與周圍的輔助車輛交互位置坐標(biāo),求出輛車間的距離和方位,同時(shí)將車輛的位置和相對信息通過各自的液晶屏顯示出來,最后通過語音模塊,根據(jù)事先規(guī)定的報(bào)警模式,給出預(yù)警信號[3]。在彩色屏上可以直觀地觀察到自身車輛以及對方車輛的位置、時(shí)間信息、車輛速度等數(shù)據(jù)。當(dāng)車輛出現(xiàn)在預(yù)警范圍內(nèi)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)距離、方位、朝向等不同情況發(fā)出不同的語音報(bào)警。黑岱溝露天煤礦根據(jù)預(yù)警區(qū)域劃分,建立了預(yù)警機(jī)制:車輛進(jìn)入100~80m區(qū)域時(shí)顯示鄰近車輛距離及位置;進(jìn)入80~20m區(qū)域時(shí)語音報(bào)告鄰近車輛距離及位置;進(jìn)入?yún)^(qū)域小于20m時(shí)語音播報(bào)“危險(xiǎn)”,為駕駛員防御性駕駛提供了研判信息,保證了車輛全天候安全運(yùn)行。大型礦用卡車防撞預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警區(qū)域如圖1。
2車輛超速管理系統(tǒng)
露天煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中,從運(yùn)輸、生產(chǎn)、維修、指揮到其他輔助生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都離不開車輛,生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)每天都有大量的車輛在運(yùn)行,外加礦區(qū)面積大,道路復(fù)雜、情況多樣,若車輛超速運(yùn)行,駕駛員面對前方車輛、行人等各種緊急情況時(shí)的應(yīng)急時(shí)間變短,此外車速過快也會導(dǎo)致緊急剎車制動距離加長,輕者造成“追尾”,車輛受到損壞,重者導(dǎo)致人身傷亡,給社會和家庭帶來生命財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)大型露天煤礦車輛超速行駛造成的事故占20%。因此必須采取有效手段,嚴(yán)肅處理違章超速行為,規(guī)范駕駛員操作行為,嚴(yán)格按照規(guī)定速度行駛,減少由超速引起的生產(chǎn)安全事故與違章行為。車輛超速管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPS測速及定位技術(shù)、RF通信、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、RFID識別、電子地圖等技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)入生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)指揮車、輔助車輛、中巴車等行駛速度,當(dāng)超出規(guī)定車速時(shí)語音提醒駕駛員[4]:①超速管理系統(tǒng)車載終端檢測:在礦區(qū)布置系統(tǒng),當(dāng)車輛到達(dá)生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場入口崗?fù)じ浇鼤r(shí),通過對車輛無線射頻信號的檢測,獲取車載終端設(shè)備狀態(tài),通過對回傳數(shù)據(jù)的分析和甄別,判斷被檢測車載終端是否完好;②語音報(bào)警和信息記錄:當(dāng)車輛進(jìn)入生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場,該車載終端能夠在駕駛員超過規(guī)定速度駕駛時(shí)及時(shí)語音提示報(bào)警,并記錄該車輛超速開始時(shí)的時(shí)間、地點(diǎn)、速度及超速過程中的最高速度等信息,當(dāng)駕駛員減速到規(guī)定的速度以下時(shí)也記錄相應(yīng)的信息;③數(shù)據(jù)傳輸:當(dāng)車輛駛出生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場,經(jīng)過入礦崗?fù)r(shí),車載終端通過其無線射頻RF模塊向設(shè)置在入礦崗?fù)さ臄?shù)據(jù)采集裝置發(fā)送其記錄的該車輛的行駛數(shù)據(jù),入礦崗?fù)さ臄?shù)據(jù)采集裝置將接收到的數(shù)據(jù)通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳給監(jiān)控中心的服務(wù)端,監(jiān)控中心的服務(wù)端和客戶端通過礦內(nèi)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,相關(guān)管理人員可在客戶端方便的查詢超速車輛的相關(guān)信息,并可在電子地圖上看到超速車輛的行駛軌跡,安全監(jiān)察部門通過客戶端對各個(gè)時(shí)間段的超速情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,可根據(jù)車輛超速數(shù)據(jù)對相關(guān)部門、個(gè)人進(jìn)行處罰。
3疲勞駕駛識別預(yù)警系統(tǒng)
露天煤礦生產(chǎn)過程中,大型礦用卡車公路運(yùn)輸是最主要的開拓形式。從事公路運(yùn)輸?shù)牡V用卡車駕駛員,由于運(yùn)輸工作量大,工作強(qiáng)度大,單人長時(shí)間穿行在沒有生機(jī)的巖體中,容易因枯燥產(chǎn)生困倦和疲勞,尤其是凌晨4點(diǎn)左右極易打盹和昏睡,極大地影響了駕駛員警覺和安全駕駛能力。疲勞會使駕駛員的觀察注意力下降,反應(yīng)速度減緩,瞬間的駕駛失控,危險(xiǎn)極大,這些均給公路運(yùn)輸作業(yè)帶來了巨大的安全隱患[5]。疲勞駕駛識別預(yù)警系統(tǒng)集人臉狀態(tài)識別(機(jī)器視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù))、無線傳輸、GPS定位等多種先進(jìn)技術(shù)于一體,關(guān)鍵是疲勞狀態(tài)識別:通過疲勞駕駛機(jī)器視覺識別裝置[6-7],對駕駛員狀態(tài)進(jìn)行快速取像,判斷輸入的圖像是否存在人臉,駕駛員的駕駛位置一般比較固定,頭部的位置也比較固定,如果經(jīng)常檢測不到人臉或是檢測到很小的一部分人臉,那么就可以判斷駕駛員處于疲勞狀態(tài);如果檢測到存在完整的人臉,則進(jìn)一步給出駕駛員的人臉位置、大小和各個(gè)主要面部器官的位置,經(jīng)過高速DSP分析后,定位眼睛和嘴巴的位置,通過計(jì)算上下眼皮和上下嘴唇的距離來判斷駕駛員的狀態(tài)(眼睛的3個(gè)重要表征即完全睜開、半閉合、完全閉合,嘴巴的3個(gè)重要表征即完全張口、半閉合、完全閉合),當(dāng)主機(jī)檢測到(采用機(jī)器視覺裝置檢測人眼開閉狀態(tài),進(jìn)而確定人眼的局部特征,從眼睛閉合及瞳孔狀態(tài)來判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài))駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí),震動腕表、震動坐墊、語音和指示燈報(bào)警提示正在行駛中的卡車駕駛員注意安全,并將卡車駕駛員疲勞信息通過Mesh無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到露天煤礦生產(chǎn)指揮中心電腦,由指揮中心調(diào)度人員負(fù)責(zé)管控[8-9]。
4毫米波雷達(dá)自動剎車系統(tǒng)
露天煤礦雖然實(shí)施了以GPS和RF技術(shù)為主的防撞預(yù)警系統(tǒng)、車輛超速系統(tǒng)和疲勞駕駛識別預(yù)警系統(tǒng),但無法識別障礙物(大塊滾石、擋墻、故障設(shè)備、電纜橋等),也未能實(shí)現(xiàn)主動防追尾和自動剎車,大型礦用卡車追尾事故時(shí)有發(fā)生,為解決此問題,黑岱溝露天煤礦研發(fā)了大型礦用卡車毫米波雷達(dá)防碰撞智能制動系統(tǒng)。毫米波雷達(dá)防碰撞智能制動系統(tǒng),開發(fā)了雷達(dá)波調(diào)制與解調(diào)的硬件電路和軟件DSP算法技術(shù),研制了適用于大型礦用卡車防碰撞的24GHz車載毫米波雷達(dá)傳感器和基于MEMS陀螺儀技術(shù)的大型礦用卡車運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測裝置,創(chuàng)建了大型礦用卡車和障礙物圖像模擬庫,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型礦用卡車與障礙物的動態(tài)識別,進(jìn)而建立了大型礦用卡車防碰撞的自動剎車規(guī)則與智能制動機(jī)制:毫米波雷達(dá)礦用卡車自動剎車系統(tǒng)的雷達(dá)控制器,根據(jù)本車速度得出安全距離,并將該安全距離和雷達(dá)傳感器測得的距離進(jìn)行比較,當(dāng)雷達(dá)傳感器測得的距離小于安全距離時(shí),雷達(dá)控制器給出剎車信號,剎車機(jī)械裝置的電機(jī)轉(zhuǎn)動,帶動鋼絲繩拉動剎車踏板,進(jìn)行剎車(電剎車),車輛減速。在剎車過程中,雷達(dá)控制器不斷計(jì)算本車速度及與障礙物的距離并和相應(yīng)的安全距離比較,剎車制動檢測裝置實(shí)時(shí)測量剎車踏板的位移量是否和電機(jī)帶動鋼絲繩的位移量相符:①當(dāng)減速過程中雷達(dá)傳感器測得的距離仍小于相應(yīng)的安全距離時(shí),雷達(dá)控制器給出繼續(xù)剎車信號,剎車機(jī)械裝置的電機(jī)進(jìn)一步運(yùn)轉(zhuǎn),電剎車的剎車踏板繼續(xù)位移直到最大行程,電剎車踏板至最大行程后,當(dāng)車速不大于5km/h時(shí),啟動工作制動,卡車的剎車機(jī)械裝置的電機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)動,直到車輛速度為0,達(dá)到停車狀態(tài);②電剎車的剎車機(jī)械裝置啟動后,車輛在減速過程中雷達(dá)傳感器測得的距離變化大于相應(yīng)的安全距離時(shí),雷達(dá)控制器給出解除剎車信號,電機(jī)反轉(zhuǎn)解除電剎車,電剎車踏板恢復(fù)到正常狀態(tài),車輛繼續(xù)前行,實(shí)現(xiàn)1次點(diǎn)剎減速過程;③剎車制動檢測裝置實(shí)時(shí)測量剎車踏板的位移情況,不論在任何條件下,只要剎車踏板的位移量超過了剎車機(jī)械裝置的位移量,該系統(tǒng)就認(rèn)為是司機(jī)的踩踏剎車行為,該系統(tǒng)不啟動或解除剎車機(jī)械裝置的剎車制動,以人的操作為第1優(yōu)先級。基于24GHz毫米波雷達(dá)探測技術(shù),實(shí)現(xiàn)了礦用卡車在遇到障礙物或其它車輛時(shí),當(dāng)雙方距離小于安全距離后能夠自動剎車,實(shí)現(xiàn)了“失誤-安全”的本質(zhì)安全[6-9]。
5“四位一體”集成終端
為解決露天煤礦公路運(yùn)輸安全問題,在大型礦用卡車上先后使用了盲區(qū)攝像、RF無線射頻、GPS衛(wèi)星定位、圖像識別、毫米波雷達(dá)等技術(shù),完成了“露天煤礦車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)”、“露天煤礦車輛超速管理系統(tǒng)”、“露天礦卡車疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)”、“露天煤礦卡車毫米波雷達(dá)自動剎車系統(tǒng)”等安防技術(shù)的研發(fā)與實(shí)踐,為解決露天煤礦礦用卡車防碰撞問題提供了有效的技術(shù)手段。然而,上述系統(tǒng)屬于不同時(shí)期研發(fā)的產(chǎn)品,安裝時(shí)間先后不等,安裝位置和報(bào)警模式未進(jìn)行統(tǒng)籌考慮,占用卡車操作臺的空間太多,各種聲光報(bào)警也給駕駛員帶來困擾。其次是原設(shè)備功能單一,接口不足,急需整合原有功能,進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化集成,統(tǒng)一預(yù)警預(yù)控,以便于駕駛員對預(yù)警預(yù)控事件的觀察和響應(yīng),也便于上述安防系統(tǒng)的維護(hù)。再次是圖像識別技術(shù)的引用,為進(jìn)一步整合駕駛員疲勞駕駛、瞌睡提醒、駕駛員行為監(jiān)控和盲區(qū)監(jiān)測成為可能。因此有必要采用圖像識別技術(shù)、給出障礙物類別,并與毫米波雷達(dá)技術(shù)融合,促使預(yù)警和剎車規(guī)則更加精準(zhǔn)和高效。通過技術(shù)集成創(chuàng)新和功能整合,最終形成1套一體化管控系統(tǒng),其中包含了4個(gè)主要功能,并將系統(tǒng)硬件分為4個(gè)部分:①無線模組-微處理器:主要完成RF射頻通訊和GPS定位功能,包括北斗/GPS定位、RF射頻通訊、4G/GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊及MEMS陀螺儀等;②雷達(dá)模組-微處理器:具有雷達(dá)防碰撞剎車功能,包括三路雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)輸入,剎車機(jī)構(gòu)完成車輛減速或剎車;③攝像模組-HUB:承擔(dān)機(jī)器視覺識別中多路攝像頭數(shù)據(jù)輸入和盲區(qū)監(jiān)測功能;④駕駛室內(nèi)僅有主機(jī)、CPU圖像處理、室內(nèi)攝像頭和顯示器,大大減少了駕駛室內(nèi)的空間占用。“四位一體”終端功能圖如圖2,一體化管控系統(tǒng)功能分布圖如圖3。
6安全管理系統(tǒng)軟件
安全管理信息化是露天礦現(xiàn)代化管理的必然趨勢,黑岱溝露天煤礦高度重視安全信息化建設(shè)工作,為實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警、超速管理、疲勞駕駛識別預(yù)警、毫米波雷達(dá)智能自動剎車系統(tǒng)全過程信息化管理目標(biāo),采用計(jì)算機(jī)及信息化技術(shù),提出了安全管理軟件系統(tǒng)的構(gòu)架,實(shí)現(xiàn)安全管理信息共享和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺的建設(shè)[10]。安全管理軟件系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)。1)防撞預(yù)警子系統(tǒng)。防撞預(yù)警記錄。可按天、班次、部門、設(shè)備編號或車型對每輛車和其他車輛相會的過程中的預(yù)警級別和預(yù)警次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。單擊次數(shù)可顯示預(yù)警明細(xì),通過點(diǎn)擊報(bào)表和軌跡,可顯示本車速度和對車距離曲線變化表和電子地圖中的運(yùn)行軌跡(運(yùn)行軌跡支持重新回放)。2)超速管理子系統(tǒng)。可按天、班次、部門、設(shè)備編號或車型對每輛車超速情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),預(yù)警統(tǒng)計(jì)情況。點(diǎn)擊右側(cè)“速度”可顯示超度速度變化情況,點(diǎn)擊“軌跡”可對超速軌跡進(jìn)行回放,通過對回放軌跡的路線進(jìn)行甄別,用以判斷超速的真實(shí)性。3)毫米波雷達(dá)自動剎車子系統(tǒng)。①系統(tǒng)檢測總表:體現(xiàn)當(dāng)前正在運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量以及毫米波雷達(dá)正常開機(jī)和運(yùn)行數(shù)量;②運(yùn)行檢測明細(xì):可以查看每臺礦用開車每個(gè)班毫米波雷達(dá)開機(jī)運(yùn)行的具體時(shí)間段;③開機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì):可以查看每臺礦用卡車每個(gè)班行車?yán)塾?jì)時(shí)長、剎車啟用累計(jì)運(yùn)行時(shí)長、剎車啟用有效使用率、雷達(dá)開機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)長;④系統(tǒng)狀態(tài):可以查看雷達(dá)各個(gè)傳感器的運(yùn)行狀態(tài)(綠色表示正常,紅色表示故障);⑤剎車統(tǒng)計(jì):可以查看每臺礦用卡車某天或某個(gè)班次毫米波雷達(dá)自動剎車次數(shù)以及剎車原因分析。4)疲勞識別預(yù)警子系統(tǒng)。實(shí)時(shí)識別和判斷礦用卡車疲勞狀態(tài),并將疲勞照片及時(shí)上傳,并做到及時(shí)提醒。同時(shí)可以查看照片和拍照地點(diǎn)在電子地圖上的具體坐標(biāo)位置。
7結(jié)語
1)采用GPS、無線射頻、毫米波雷達(dá)等先進(jìn)成熟的技術(shù)和多項(xiàng)技術(shù)集成,通過不斷的科學(xué)研究和實(shí)踐,對露天煤礦礦用卡車的公路運(yùn)輸安全進(jìn)行了有效的預(yù)警預(yù)控,為露天煤礦科技保安走出了一條切實(shí)可行的道路。2)以建設(shè)信息共享和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺為目標(biāo)的安全管理系統(tǒng),將露天煤礦規(guī)章制度中要求的職責(zé)及工作內(nèi)容落實(shí)到具體的系統(tǒng)操作中,使管理更高效,職責(zé)更清晰,內(nèi)容更完整,標(biāo)準(zhǔn)更統(tǒng)一。3)露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系大大提高了露天煤礦公路運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù),運(yùn)輸效率也大幅提升。經(jīng)現(xiàn)場測試,大型礦用卡車車速由原來的20km/h提高到24km/h,按24km/h的平均速度計(jì)算大型礦用卡車的年生產(chǎn)能力,運(yùn)輸效率提高達(dá)12%。4)露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系實(shí)現(xiàn)了“一增一減一轉(zhuǎn)變”。一增:人員操作效率增加;一減:“三違”數(shù)量明顯減少;一轉(zhuǎn)變:作業(yè)人員從“要我安全”到“我懂安全”和“我要安全”的轉(zhuǎn)變,為創(chuàng)建安全高效露天煤礦奠定了基礎(chǔ)。5)露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系的“減損”(減少事故造成的人員傷亡、職業(yè)病負(fù)擔(dān)、事故經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境危害等)效益凸顯。露天煤礦公路運(yùn)輸安全智能化預(yù)警預(yù)控體系實(shí)施以來,杜絕了公路運(yùn)輸“零敲碎打”事故,每避免1次事故可減少經(jīng)濟(jì)損失上百萬,甚至上千萬。
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作者:劉小杰 單位:神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司